Pesquisadores do National Institutes of Health e da University of Chicago aumentaram a velocidade, resolução, e a eficiência da luz de um microscópio óptico, mudando de uma lamela de vidro convencional para uma refletiva, lamínula espelhada e aplicação de novos algoritmos de computador para processar os dados resultantes.

Hari Shroff, Ph.D., chefe da seção do laboratório do Instituto Nacional de Imagem Biomédica e Bioengenharia em Imagem Ótica de Alta Resolução (HROI), e sua equipe passou os últimos anos desenvolvendo microscópios ópticos que produzem imagens de alta resolução em altíssima velocidade. Depois que seu laboratório desenvolver esses novos microscópios, eles lançam os planos e software gratuitamente, assim, qualquer pesquisador pode replicar os avanços feitos no NIH.

Este último microscópio se baseia em melhorias anteriores que o laboratório de Shroff havia feito com microscopia de iluminação de plano seletivo (SPIM). Os desenvolvimentos são descritos em um artigo publicado em 13 de novembro de 2017, na edição online avançada de Nature Communications . Os sistemas SPIM diferem dos microscópios tradicionais porque usam folhas de luz para excitar a amostra, expondo apenas o plano de amostra com imagem à luz. Como apenas a parte da amostra que está sendo gerada (em vez de toda a amostra) é exposta à luz, há menos danos gerais à amostra. Assim, Os sistemas SPIM são mais suaves do que os microscópios tradicionais.

Em 2013, Shroff e seu colega no laboratório HROI, Yicong Wu, desenvolveu o diSPIM - um sistema SPIM equipado com duas lentes para obter duas visualizações da amostra em vez de apenas uma. Assim como o uso de dois olhos fornece uma profundidade e percepção tridimensional muito melhores do que usar apenas um olho, o microscópio de visão dupla permite imagens 3-D com muito mais clareza e resolução do que as imagens tradicionais de visão única. Em 2016, eles adicionaram uma terceira lente, mostrando que esta visão adicional pode melhorar ainda mais a eficiência da luz e a resolução em imagens 3-D.

"Assim que incorporamos três lentes, descobrimos que ficava cada vez mais difícil adicionar mais, "disse Shroff." Não porque atingimos o limite de nossas habilidades computacionais, mas porque ficamos sem espaço físico. "

As lentes usadas para obter a imagem das amostras são volumosas e precisam estar próximas às amostras para obter uma imagem clara da estrutura subcelular detalhada dentro de uma única célula ou do desenvolvimento neuronal dentro de um embrião de verme. O espaço ao redor da amostra se torna cada vez mais limitado com cada lente adicional.

A solução de Wu e Shroff era conceitualmente simples e de custo relativamente baixo. Em vez de tentar encontrar maneiras de colocar mais lentes, eles usam lamínulas espelhadas.

"É muito parecido com olhar no espelho, "Shroff explicou." Se você olhar uma cena no espelho, você pode ver as perspectivas que, de outra forma, estão ocultas. Usamos esse mesmo princípio com o microscópio. Podemos ver a amostra convencionalmente usando as visualizações usuais habilitadas pelas próprias lentes, enquanto, ao mesmo tempo, grava as imagens refletidas da amostra fornecida pelo espelho. "

Uma complicação é que as visualizações convencional e refletida contêm um fundo indesejado gerado pela fonte de luz. Para lidar com este problema, Wu e Shroff colaboraram estreitamente com o grupo de Patrick La Riviere na Universidade de Chicago. La Riviere é especialista em imagem computacional, e ajudou a equipe a criar um software de processamento de computador que pode identificar e remover o fundo indesejado e clarificar a imagem.

Usando as lamelas espelhadas em conjunto com o software de computador, a equipe conseguiu melhorar a velocidade duas vezes e quase o dobro da resolução em comparação com os sistemas diSPIM convencionais sem alterar o hardware do microscópio. Um benefício adicional da técnica é que com lamínulas espelhadas, o microscópio é capaz de coletar mais luz da amostra sem aumentar a exposição geral à luz para a amostra. Como resultado, aumenta a eficiência de duas a três vezes em comparação com diSPIM. Os pesquisadores esperam que, no futuro, essa técnica possa ser adaptada a outras formas de microscopia.